JP2014056085A

JP2014056085A - 撮像素子及びそれを用いた測距装置

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Publication number: JP2014056085A
Application number: JP2012200414A
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Inventors: Akinari Takagi; 章成高木
Original assignee: Canon Inc
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Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2014-03-27
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Abstract

【課題】撮影条件により、測距画像の画質が低下し、測距精度が低下することを防止できる撮像素子、測距装置などを提供する
【解決手段】撮像素子は、光学系１０１の射出瞳の第１の瞳領域からの光束を受光して光電変換する第１の画素１１０と、射出瞳の重心から第１の方向へ偏心した第２の瞳領域からの光束を受光して光電変換する第２の画素１２０と、射出瞳の重心から第１の方向とは反対の第２の方向へ偏心した第３の瞳領域からの光束を受光して光電変換する第３の画素１３０を有する。撮像素子は、第１の画素及び第２の画素を複数配置した第１の撮像素子領域と、第１の画素及び第３の画素を複数配置した第２の撮像素子領域を有し、光学系の光軸が通る撮像素子の位置を中心に、一方側にずれて第１の撮像素子領域が配置され、他方側にずれて前記第２の撮像素子領域が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子に関し、特にデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどに用いられる測距装置などに関するものである。

デジタルスチルカメラやビデオカメラにおいて、撮像素子の一部あるいは全部の画素に測距機能を有する測距画素を配置し、位相差方式で焦点調節状態を検出するようにした固体撮像素子が提案されている（特許文献１参照）。測距画素は、画素内のマイクロレンズ、及びマイクロレンズを介してカメラレンズの射出瞳と光学的に共役な位置に配置された遮光板を有している。これにより、カメラレンズの瞳上の一部領域を通過した光束が光電変換部に導かれるように構成される。さらに、カメラレンズの瞳中心を基準として互いに反対方向に偏心した領域の光束を受光する測距画素を設ける。各測距画素で得た信号により、異なる瞳領域を通過した光束で生成される複数の光像（以後、測距像と呼ぶ）を取得する。これらの測距像のズレ量を基に、ステレオ画像による三角測量を用いてデフォーカス量を算出し、被写体の距離を測定することができる。これによると、従来のコントラスト方式とは異なり、距離を測定するのでレンズを動かす必要が無いため、高速、高精度な測距が可能となる。

特許4797606号公報

しかしながら、撮影条件によっては、測距像の画質が低く、測距精度が低下するということがあった。一般に、ズームやフォーカス状態により、カメラレンズの射出瞳位置は変化する。よって、遮光板が射出瞳との共役関係から外れるとき、撮像素子内の各測距画素の位置に応じて、各測距画素で受光する光束が通過する瞳領域の偏心量は変化する。偏心量が大きくなると、カメラレンズ瞳内の周辺部を通過した光束だけで測距像が形成されることがある。一般に、カメラレンズ瞳内の周辺部を通過する光束は、瞳中心部を通過する光束よりも、収差が大きいため、前者の光束による測距像は、収差により像コントラストが低下することになりやすい。低画質な測距像を用いると、像ズレ量の読取誤差が大きくなり、測距精度が低下することになる。

上記課題に鑑み、本発明の撮像素子は、被写体の像を結像する光学系に対して当該撮像素子が位置決めされるときに光学系の射出瞳の第１の瞳領域からの光束を受光して光電変換するようにそれぞれ構成された複数の第１の画素と、第１の瞳領域の一部を含み、射出瞳の重心から第１の方向へ偏心した第２の瞳領域からの光束を受光して光電変換するようにそれぞれ構成された複数の第２の画素と、第１の瞳領域の一部を含み、射出瞳の重心から第１の方向とは反対の第２の方向へ偏心した第３の瞳領域からの光束を受光して光電変換するようにそれぞれ構成された複数の第３の画素と、を有する。そして、第１の画素及び第２の画素を複数配置した第１の撮像素子領域と、第１の画素及び第３の画素を複数配置した第２の撮像素子領域を有し、光学系の光軸が通る撮像素子の位置を中心に、第１及び第２の方向に対応する撮像素子上の方向の一方側にずれて第１の撮像素子領域が配置され、第１及び第２の方向に対応する撮像素子上の方向の他方側にずれて第２の撮像素子領域が配置されている。

本発明の撮像素子を測距装置、撮像装置などに用いれば、高画質な測距像が取得でき、高精度な測距ができる。

撮像素子を含む撮像装置及び撮像素子の中心付近の画素配置を示す図。各画素を示す要部断面図。各画素の画素特性を示す図。撮像素子の各領域での光束の状態を示す図。撮像素子の中心付近の画素配置の他の例を示す図。各画素の他の例を示す要部断面図。各画素の画素特性の他の例を示す図。撮像素子の各領域での光束の状態の他の例を示す図。各画素の他の例を示す要部断面図。撮像素子の中心付近の画素配置の他の例を示す図。各画素の他の例を示す要部断面図。

本発明の撮像素子は、少なくとも、上記の如き第１から第３の画素を有し、第１の画素及び第２の画素を複数配置した第１の撮像素子領域と、第１の画素及び第３の画素を複数配置した第２の撮像素子領域を有する。そして、光学系の光軸が通る当該撮像素子の位置を中心に、前記第１及び第２の方向に対応する当該撮像素子上の方向の一方側にずれて第１の撮像素子領域が配置され、この方向の他方側にずれて第２の撮像素子領域が配置されている。こうした撮像素子を測距装置に備えれば、第１の画素の出力信号と第２の画素の出力信号と第３の画素の出力信号、または第１の画素の出力信号と後述の第４の画素の出力信号と第５の画素の出力信号を用いて被写体の距離情報を取得できる。こうして、高精度な測距をすることができる。また、こうした測距装置をデジタルカメラなどの撮像装置に備えれば、高画質の被写体画像を得ることができる。また、こうした測距装置における測距方法では、複数の画素の出力信号と、注目する該画素の付近の前記第１の画素から得られた出力信号から該画素の出力信号を差し引いた信号を用いて測距像信号を取得する。こうして、高画質な測距像を用いて測距演算を行うことで高精度な測距ができる。

以下、図を用いて、本発明の撮像素子を用いた測距装置ないし撮像装置の実施の形態について説明する。その際、全ての図において同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。
（実施例１）
本発明の撮像素子を含む測距装置を有するデジタルカメラ１００の構成例を図１に示す。図１（ａ）において、デジタルカメラ１００は、被写体の像を結像する光学系である撮影レンズ１０１、撮影レンズ１０１に対して適切に位置決めされた撮像素子１０３、撮像素子１０３から信号が入力される測距演算部１０４を備える。撮像素子１０３は撮影レンズ１０１の光軸１０２上に配置され、撮影レンズ１０１は撮像素子１０３上に被写体の像を結像する。

図１（ｂ）は撮像素子１０３の中心付近（光軸１０２が通る位置付近の領域）の画素配置を示した図である。画素１１０は、撮影レンズ１０１の射出瞳の第１の瞳領域からの光束を受光して光電変換する画素（第１の画素）である。第１の瞳領域は射出瞳の中心ないし重心を含む領域である。画素１２０は、第１の瞳領域の一部をなすか或いは含む、射出瞳の中心から第１の方向（−Ｘ方向）へ偏心した第２の瞳領域からの光束を受光して光電変換する画素（第２の画素）である。本実施例では、射出瞳は光軸１０２の回りに回転対称な円形、正方形などの形状を想定しているので射出瞳の中心を定義できる。しかし、射出瞳が回転非対称な形状であれば、中心を定義できないので射出瞳の重心（回転対称形状であれば中心でもある）から第１の方向（−Ｘ方向）へ偏心したということになる。画素１３０は、第１の瞳領域の一部をなすか或いは含む、射出瞳の中心から第２の瞳領域とはほぼ反対方向（＋Ｘ方向）である第２の方向へ偏心した第３の瞳領域からの光束を受光して光電変換する画素（第３の画素）である。第３の瞳領域の偏心についても、第２の瞳領域の偏心と同様である。

領域１０３２（第１の撮像素子領域）は、画素１１０と画素１２０をそれぞれ複数配置した領域である。領域１０３３（第２の撮像素子領域）は、画素１１０と画素１３０をそれぞれ複数配置した領域である。撮像素子１０３の中心を通り前記第１及び第２の方向に対応する撮像素子上の方向に垂直な線分を境界線１０３１として、領域１０３２及び領域１０３３は境界線１０３１を挟んで配置されている。より一般的に言えば、領域１０３２及び領域１０３３は、光学系の光軸１０２が通る撮像素子１０３の位置を中心に、前記第１及び第２の方向に対応する撮像素子上の方向の一方側及び他方側に夫々ずれて配置されている。また、本実施例では、画素１１０、画素１２０及び画素１３０を複数配置した第３の撮像素子領域１０３４を、領域１０３２と領域１０３３の間（すなわち、光学系の光軸が通る撮像素子の位置を含む中心領域）に設けている。なお、図１（ｂ）においては、簡単のため、画素４列で１つの領域を構成するように示したが、数十列以上など、より多くの画素列で構成してもよい。

測距演算部１０４は、異なる瞳領域を通過した光束による被写体像（測距像）の位置ズレ量をもとに、被写体距離を公知の方法により求める。第３の撮像素子領域１０３４においては、測距像信号として、複数の画素１２０からの出力信号及び複数の画素１３０からの出力信号を用いる。領域１０３２においては、測距像信号として、複数の画素１２０からの出力信号と、注目する画素１２０に隣接する画素１１０の出力信号から画素１２０の出力信号を差し引いた信号を用いる。領域１０３３においては、測距像信号として、複数の画素１３０からの出力信号と、注目する画素１３０に隣接する画素１１０の出力信号から画素１３０の出力信号を差し引いた信号を用いる。

図２に、各画素の要部断面図を示す。なお、各画素は図示しない配線やカラーフィルターを含む。図２（ａ）に示すように、画素１１０はマイクロレンズ１１１及び光電変換部１１２から構成される。画素１２０は、マイクロレンズ１１１、画素中心軸１２１から−Ｘ方向に偏心して配置された遮光部１２２、光電変換部１１２から構成される。本実施例では、マイクロレンズ１１１の光軸を画素中心軸１２１に一致させ、かつ遮光部１２２の画素中心側端面を画素中心軸１２１に一致させている。また図２（ｂ）に示すように、画素１３０は、マイクロレンズ１１１、画素中心軸１３１から＋Ｘ方向に偏心して配置された遮光部１３２、光電変換部１１２から構成される。画素１２０と同様に、マイクロレンズ１１１の光軸を画素中心軸１３１に一致させ、かつ遮光部１３２の画素中心側端面を画素中心軸１３１に一致させている。このような構成にすることにより、画素感度に入射角依存性を持たせることができる。

図３に各画素の画素感度の入射角依存性を示す。図３において、横軸は各画素へのＸＺ断面における光入射角度、縦軸は画素感度を表わす。画素１１０の感度特性１１３（実線）は、フラットな特性を示す。画素１２０の感度特性１２３（点線）は、マイナス方向（−Ｘ方向）からの入射光に対する感度が高く、プラス方向（＋Ｘ方向）からの入射光に対する感度が低い。画素１３０の感度特性１３３（破線）は、マイナス方向（−Ｘ方向）からの入射光に対する感度が低く、プラス方向（＋Ｘ方向）からの入射光に対する感度が高い。さらに、撮影レンズ１０１の射出瞳と撮像素子１０３の距離が無限大の時に、第２の瞳領域と第３の瞳領域が、射出瞳上で中心軸を中心に線対称に配置されるよう、光入射角０度を対称軸として、感度特性１２３と感度特性１３３が互いに対称な形状になっている。

次に、本実施例を含む本発明により、高画質な測距像を得ることができ、高精度な測距が可能になる理由を述べる。常に、撮影レンズ１０１の射出瞳と撮像素子１０３の距離が無限大に保持されていれば、図３に示す画素特性を持つことにより、第２の瞳領域と第３の瞳領域が射出瞳上で中心対称な配置になる。よって、両測距像とも射出瞳中心（重心）付近の光束により形成さるため、コントラストの高い像が得られる。しかし、小型化の要請から、実際の撮影レンズでは、ズーム状態に応じて、射出瞳位置は変化する。一般的に、望遠側では、射出瞳位置は撮像素子から遠く、広角側では、射出瞳位置は撮像素子に近くなる。また、撮影レンズがインナーフォーカスやリアフォーカスの構成の場合は、フォーカス状態に応じても、射出瞳位置が変動する。

撮影レンズ１０１の射出瞳１０１１が、撮像素子１０３から有限な距離にある場合（例えば、ズームレンズの広角側で撮影した場合に相当）を図４に示す。図４（ａ）は、撮像素子１０３の中心付近の第３の撮像素子領域１０３４での光束の状態を示す。画素１１０は、射出瞳１０１１の第１の瞳領域１０１２からの光束１１４を受光して光電変換する。画素１２０は、射出瞳１０１１の第２の瞳領域１０１３からの光束１２４を受光して光電変換する。画素１３０は、射出瞳１０１１の第３の瞳領域１０１４からの光束１３４を受光して光電変換する。上述した様に、測距演算部１０４は、異なる瞳領域を通過した光束による測距像の位置ズレ量をもとに、被写体距離を公知の方法により求める。この時、測距像信号として、複数の画素１２０からの出力信号、及び複数の画素１３０からの出力信号を用いる。

図４（ｂ）は、撮像素子１０３の領域１０３２での光束の状態を示す。画素１１０は、射出瞳１０１１の第１の瞳領域１０１２’からの光束１１４’を受光して光電変換する。画素１２０は、射出瞳１０１１の第２の瞳領域１０１３’からの光束１２４’を受光して光電変換する。測距演算部１０４は、上記公知の方法により被写体距離を求めるが、この時、測距像信号として、複数の画素１２０からの出力信号と、注目する画素１２０に隣接する画素１１０の出力信号から画素１２０の出力信号を差し引いた信号を用いる。従来は、図４（ｂ）に示す領域１０３２に相当する領域にも、画素１３０を配置していた。撮像素子全面に画素１２０または画素１３０のいずれかを配置した場合は、いずれかの撮像素子周辺部において、画素からの出力信号で形成される測距像のコントラストが低下し、測距精度が低下する。また、撮像素子全面に画素１２０及び画素１３０を配置した場合は、撮像素子周辺部において、いずれかの画素からの出力信号で形成される測距像のコントラストが低下し、測距精度が低下する。

その理由を述べる。射出瞳１０１１の第３の瞳領域１０１４’からの光束１３４’は、射出瞳１０１１の周辺部のみを通る光束であり、コマ収差など大きな光線収差を有する。よって、光束１３４’で形成され画素１３０から出力される測距像は、コントラストが低下し、画質が低くなる。低画質の測距像の信号を用いて像ズレ量を算出すると誤差が大きくなり、測距精度が低下する。従って、本実施例を含む本発明においては、画素周辺部のみを通る光束による測距像の信号を用いずに、測距演算を行う。つまり、画素１１０の出力信号から画素１２０の出力信号を差し引いて測距像信号を求めることにより、射出瞳１０１１の第３の瞳領域１０１４’からの光束１３４’で形成される測距像信号を得ている。

図４（ｃ）は、撮像素子１０３の領域１０３３での光束の状態を示す。画素１１０は、射出瞳１０１１の第１の瞳領域１０１２”からの光束１１４”を受光して光電変換する。画素１３０は、射出瞳１０１１の第２の瞳領域１０１４”からの光束１３４”を受光して光電変換する。測距演算部１０４は、上記公知の方法により被写体距離を求めるが、この時、測距像信号として、複数の画素１３０からの出力信号と、注目する画素１３０に隣接する画素１１０の出力信号から画素１３０の出力信号を差し引いた信号を用いる。図４（ｂ）に示す領域１０３２の場合と同様に、領域１０３３においても、高画質な測距像を取得でき、高精度な測距ができる。

図４（ｂ）に示すように、第２の瞳領域１０１３’は、第３の瞳領域１０１４’よりも大きいため、光量が多い。また、図４ｂ（ｃ）に示すように、第３の瞳領域１０１４”は、第２の瞳領域１０１３”よりも大きいため、光量が多い。よって、何れの領域でも、像信号出力が大きいため、光電変換時や信号転送時のノイズによる信号劣化を低減し、高画質な測距像（高品質な測距信号）を得ることができ、高精度な測距ができる。

以上示したように、本実施例の構成にすることにより、撮影レンズのズーム状態、フォーカス状態によらず、撮像素子全面において、高精度な測距ができる。

なお、領域１０３２における測距像信号として、複数の画素１２０からの出力信号と、注目する画素１２０に隣接する画素１１０の出力信号から画素１２０の出力信号を差し引いた信号を用いたが、これに限定されるものではない。注目する画素１２０に近接する複数の画素１１０の出力信号平均値から画素１２０の出力信号を差し引いた信号を用いてもよい。複数画素からの出力信号の平均値を用いることにより、ノイズ等の影響を軽減でき、より高精度な測距ができる。領域１０３３における測距像信号についても、同様である。

また、画素１２０と画素１３０を含む第３の撮像素子領域１０３４を設けたが、図５に示すように、中央の領域１０３４を設けなくてもよい。ただし、領域１０３４を設けることにより、領域１０３４においては、直接２つの測距像を得ることができるため、演算負荷を減らせ、高速化や消費電力の削減を達成することができる。また、各領域の境界部近傍で、複数の信号処理方法を用いることにより、境界部でのエラーを低減することができる。また、本実施例においては、千鳥状に画素１２０及び画素１３０を配置したが、２画素おき、３画素おきなど、必要な測距精度に応じて配置を決定してよい。

一般的に、撮影レンズの射出瞳位置は、撮像素子に対して＋Ｚ側にあるため、次の様にするのが望ましい。すなわち、第２の瞳領域１０１３の偏心方向（第１の方向である−Ｘ方向）と、撮像素子中心に対する第１の撮像素子領域１０３２の偏心方向（第１の方向に対応する撮像素子上の方向である＋Ｘ方向）とが逆であることが望ましい。しかし、撮影レンズの射出瞳位置が撮像素子に対して−Ｚ側にある場合には、第２の瞳領域１０１３の偏心方向と、撮像素子中心に対する第１の撮像素子領域１０３２の偏心方向は、同方向であることが望ましい。第３の瞳領域１０１４の偏心方向と撮像素子中心に対する第２の撮像素子領域１０３３の偏心方向についても、同様である。

（実施例２）
次に、本発明を、撮影レンズの射出瞳位置が撮像素子から近い場合に最適化した例に関わる実施例２を説明する。実施例１に対して、画素１１０の代わりに図６（ａ）の画素１６０を、画素１２０の代わりに図６（ａ）の画素１７０を、画素１３０の代わりに図６（ｂ）の画素１８０を用いた点が異なる。

図６に、各画素の要部断面図を示す。なお、各画素は図示しない配線やカラーフィルターを含む。図６（ａ）に示すように、画素１６０はマイクロレンズ１６１及び光電変換部１６２から構成される。マイクロレンズ１６１は、撮影レンズ１０１の射出瞳１０１１の中心(重心)を通った主光線が、光電変換部１６２の中心に入射するように偏心して配置する。画素１７０は、マイクロレンズ１６１、画素中心軸１７１から−Ｘ方向に偏心して配置された遮光部１７２、光電変換部１６２から構成される。また図６（ｂ）に示すように、画素１８０は、マイクロレンズ１６１、画素中心軸１８１から＋Ｘ方向に偏心して配置された遮光部１８２、光電変換部１６２から構成される。このような構成にすることにより、画素感度に入射角依存性を持たせることができる。

図７に各画素の画素感度の入射角依存性を示す。図７において、横軸は各画素へのＸＺ断面における光入射角度、縦軸は画素感度を表わす。画素１６０の感度特性１６３（実線）は、フラットな特性を示す。図７（ａ）に示すように、画素１７０の感度特性１７３（破線）は、マイナス方向（−Ｘ方向）からの入射光に対する感度が高く、プラス方向（＋Ｘ方向）からの入射光に対する感度が低い。ただし、画素１２０の感度特性（図３の１２３）に対して、マイナス側にシフトしている。図７（ｂ）に示すように、画素１８０の感度特性１８３（破線）は、マイナス方向（−Ｘ方向）からの入射光に対する感度が低く、プラス方向（＋Ｘ方向）からの入射光に対する感度が高い。ただし、画素１３０の感度特性（図３の１３３）に対して、プラス側にシフトしている。なお、図７（ａ）に示す感度特性１８４（点線）は、画素１８０が図６（ａ）に示すマイクロレンズ１６１を備えた場合の感度特性を参考として示す。また、図７（ｂ）に示す感度特性１７４（点線）は、画素１７０が図６（ｂ）に示すマイクロレンズ１６１を備えた場合の感度特性を参考として示す。

図８は、撮像素子１０３の領域１０３２での光束の状態を示す。撮影レンズ１０１の射出瞳１０１１が、撮像素子１０３から有限な距離にある場合を図８（ａ）に示す。この場合、画素１６０は、射出瞳１０１１の第１の瞳領域１０１２からの光束１６４を受光して光電変換する。画素１７０は、射出瞳１０１１の第２の瞳領域１０１３からの光束１７５を受光して光電変換する。測距演算部１０４は、上記公知の方法により被写体距離を求めるが、この時、測距像信号として、複数の画素１７０からの出力信号と、注目する画素１７０に隣接する画素１６０の出力信号から画素１７０の出力信号を差し引いた信号を用いる。

撮影レンズ１０１の射出瞳１０１１が、撮像素子１０３から遠い場合（例えば、ズームレンズの望遠側で撮影した場合に相当）を図８（ｂ）に示す。この場合、画素１６０は、射出瞳１０１１の第１の瞳領域１０１２’からの光束１６４’を受光して光電変換する。画素１７０は、射出瞳１０１１の第２の瞳領域１０１３’からの光束１７５’を受光して光電変換する。測距演算部１０４は、上記公知の方法により被写体距離を求めるが、この時、測距像信号として、複数の画素１７０からの出力信号と、注目する画素１７０に隣接する画素１６０の出力信号から画素１７０の出力信号を差し引いた信号を用いる。

同様に、撮像素子１０３の領域１０３３では、測距像信号として、複数の画素１８０からの出力信号と、注目する画素１８０に隣接する画素１６０の出力信号から画素１８０の出力信号を差し引いた信号を用いる。

図８（ｂ）に示したように、画素の感度特性を決定した際の撮影条件と異なる場合は、実施例１と同じ理由で、従来のものでは高精度な測距ができない。つまり、光束１８５’を受光して光電変換する画素を設けて得られる測距像は、射出瞳周辺部のみの光束で形成された像であり、コントラストが低くなり、測距精度が低下する。本実施例では、演算により、射出瞳１０１１の第３の瞳領域１０１４’からの光束１８５’で形成される測距像信号を生成する。このため、像ズレ量の検出が高精度で行え、高精度な測距が可能になる。

以上示したように、本実施例の構成にすることにより、実施例１と同様に、撮影レンズのズーム状態、フォーカス状態によらず、撮像素子全面において、高精度な測距ができる。

（実施例３）
次に、本発明を、Ｙ方向にも瞳分割して測距を行う測距装置に適用した例を説明する。図９に、Ｙ方向に瞳分割するための各画素の要部断面図を示す。なお、各画素は図示しない配線やカラーフィルターを含む。図９（ａ）に示すように、第４の画素１４０は、マイクロレンズ１１１、画素中心軸１４１から−Ｙ方向（第３の方向）に偏心して配置された遮光部１４２、光電変換部１１２から構成される。マイクロレンズ１１１の光軸を画素中心軸１４１に一致させ、かつ遮光部１４２の画素中心側端面を画素中心軸１４１に一致させている。また図９（ｂ）に示すように、第５の画素１５０は、マイクロレンズ１１１、画素中心軸１５１から＋Ｙ方向（第４の方向）に偏心して配置された遮光部１５２、光電変換部１１２から構成される。画素１４０と同様に、マイクロレンズ１１１の光軸を画素中心軸１５１に一致させ、かつ遮光部１５２の画素中心側端面を画素中心軸１５１に一致させている。このような構成にすることにより、画素感度にＹＺ断面における入射角依存性を持たせることができる。

図１０は撮像素子１０３の中心付近の画素配置を示した図である。画素１４０は、第１の瞳領域の一部をなすか或いは含み、射出瞳の中心（重心）から第３の方向（−Ｙ方向）へ偏心した第４の瞳領域からの光束を受光して光電変換する画素（第４の画素）である。画素１５０は、第１の瞳領域の一部をなすか或いは含み、射出瞳の中心（重心）から第４の瞳領域とはほぼ反対方向の第４の方向（＋Ｙ方向）へ偏心した第５の瞳領域からの光束を受光して光電変換する画素（第５の画素）である。領域１０３６（第４の撮像素子領域）は、画素１１０と画素１４０を複数配置した領域である。領域１０３７（第５の撮像素子領域）は、画素１１０と画素１５０を複数配置した領域である。撮像素子１０３の中心を通り第２の方向に垂直な線分を境界線１０３５として、領域１０３６及び領域１０３７を境界線１０３５を挟んで配置している。図１０においては、簡単のため、画素４行で１つの領域を構成するように示したが、数十行以上など、より多くの画素行で構成してもよい。

ここでも、測距演算部１０４は、異なる瞳領域を通過した光束による被写体像（測距像）の位置ズレ量をもとに、被写体距離を公知の方法により求める。領域１０３６においては、測距像信号として、複数の画素１４０からの出力信号と、注目する画素１４０に隣接する画素１１０の出力信号から画素１４０の出力信号を差し引いた信号を用いる。領域１０３７においては、測距像信号として、複数の画素１５０からの出力信号と、注目する画素１５０に隣接する画素１１０の出力信号から画素１５０の出力信号を差し引いた信号を用いる。以上の構成により、実施例１と同じ理由により、Ｘ方向に延びた線分により構成される被写体についても、撮影条件によらず高画質な測距像が取得でき、高精度な測距ができる。

以上の実施例においては、マイクロレンズと画素中心軸に対し偏心して配置した遮光部材を用いた画素構成を示したが、これに限定されるものではない。画素感度の入射角依存性を出す構成として、図１１（ａ）に示すように、光電変換部へ光束を導く導波路１１４と画素中心軸１２１に対して偏心して配置した非対称な形状の遮光部１２２の構成でもよい。また、図１１（ｂ）に示すように、画素中心軸１２１に対して偏心した非対称な形状の導波路１２５と画素中心軸１２１上に配置した遮光部１２２の構成でもよい。すなわち、前記第２の画素等は、光電変換部へ光束を導く導波路と、光束伝播方向に関して光電変換部の前方の導波路内に配置された遮光部材を有してもよい。この場合、導波路及び／または遮光部材は、画素中心軸に対して非対称な形状である。このように導波路（特に図１１に示す様に光入射側にコア部がテ―パ状に広がったもの）を用いて構成することにより、画素に入射した光を効率良く光電変換部に導くことが可能となり、より高画質な測距像を得ることができ、より高精度な測距ができる。

上述した本発明による撮像素子は、測距装置をはじめとして、測距装置を必要とするデジタルカメラなどの撮像装置に用いることができる。その際、撮像素子は、その構成に応じて、被写体の像を結像する光学系に対して適宜位置決めされる必要がある。

１００・・カメラ（撮像装置）、１０１・・撮影レンズ（光学系）、１０２・・光軸、１０３・・撮像素子、１０４・・測距演算部、１１０・・第１の画素、１２０・・第２の画素、１３０・・第３の画素、１０３２・・第１の撮像素子領域、１０３３・・第２の撮像素子領域

Claims

被写体の像を結像する光学系に対して当該撮像素子が位置決めされるときに前記光学系の射出瞳の第１の瞳領域からの光束を受光して光電変換するようにそれぞれ構成された複数の第１の画素と、
前記第１の瞳領域の一部を含み、前記射出瞳の重心から第１の方向へ偏心した第２の瞳領域からの光束を受光して光電変換するようにそれぞれ構成された複数の第２の画素と、
前記第１の瞳領域の一部を含み、前記射出瞳の重心から前記第１の方向とは反対の第２の方向へ偏心した第３の瞳領域からの光束を受光して光電変換するようにそれぞれ構成された複数の第３の画素と、
を有する撮像素子であって、
前記第１の画素及び前記第２の画素をそれぞれ複数配置した第１の撮像素子領域と、前記第１の画素及び前記第３の画素をそれぞれ複数配置した第２の撮像素子領域を有し、
前記光学系の光軸が通る当該撮像素子の位置を中心として、前記第１及び第２の方向に対応する当該撮像素子上の方向の一方側にずれて前記第１の撮像素子領域が配置され、前記一方側とは反対の他方側にずれて前記第２の撮像素子領域が配置されていることを特徴とする撮像素子。
前記第２の瞳領域は、前記第１の瞳領域の一部をなし、前記射出瞳の中心から前記第１の方向へ偏心し、
前記第３の瞳領域は、前記第１の瞳領域の一部をなし、前記射出瞳の中心から前記第２の方向へ偏心し、
前記第１の撮像素子領域と前記第２の撮像素子領域は、当該撮像素子の中心を通り前記第１及び第２の方向に対応する当該撮像素子上の方向に垂直な線分を境界線とし、該境界線を挟んで配置されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
前記第２の瞳領域の偏心方向である前記第１の方向に対応する当該撮像素子上の方向と、前記第１の撮像素子領域のずれ方向が逆であることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
前記光学系の光軸が通る当該撮像素子の位置を含む中心領域に、前記第２の画素及び第３の画素をそれぞれ複数配置した第３の撮像素子領域が配置されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の撮像素子。
前記第２の画素は、マイクロレンズ、及び画素中心軸に対し偏心して配置された遮光部材を有し、前記第３の画素は、マイクロレンズ、及び画素中心軸に対し、前記第２の画素の遮光部材とは反対の方向に偏心して配置された遮光部材を有することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の撮像素子。
前記第２の画素及び前記第３の画素は、それぞれ、光電変換部へ前記光束を導く導波路と、光束伝播方向に関して前記光電変換部の前方の前記導波路内に配置された遮光部材を有し、前記導波路及び／または前記遮光部材は、画素中心軸に対して非対称な形状であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の撮像素子。
前記第１の瞳領域の一部を含み、前記射出瞳の重心から第３の方向へ偏心した第４の瞳領域からの光束を受光して光電変換するようにそれぞれ構成された複数の第４の画素と、
前記第１の瞳領域の一部を含み、前記射出瞳の重心から前記第３の方向とは反対の第４の方向へ偏心した第５の瞳領域からの光束を受光して光電変換するようにそれぞれ構成された複数の第５の画素と、を備え、
前記第１の画素及び前記第４の画素をそれぞれ複数配置した第４の撮像素子領域と、前記第１の画素及び前記第５の画素をそれぞれ複数配置した第５の撮像素子領域を有し、
前記光学系の光軸が通る当該撮像素子の位置を中心として、前記第３及び第４の方向に対応する当該撮像素子上の方向の一方側にずれて前記第４の撮像素子領域が配置され、該一方側とは反対の他方側にずれて前記第５の撮像素子領域が配置されていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の撮像素子。
請求項１から７の何れか１項に記載の撮像素子と、
被写体の像を前記撮像素子上に結像する光学系と、
を有する測距装置であって、
前記第１の画素の出力信号と前記第２の画素の出力信号と前記第３の画素の出力信号、または前記第１の画素の出力信号と前記第４の画素の出力信号と前記第５の画素の出力信号を用いて被写体の距離情報を取得することを特徴とする測距装置。
前記第１の撮像素子領域では、前記第２の画素の出力信号と、前記第１の画素の出力信号と前記第２の画素の出力信号を用いて演算された信号を用い、前記第２の撮像素子領域では、前記第３の画素の出力信号と、前記第１の画素の出力信号と前記第３の画素の出力信号を用いて演算された信号を用いることを特徴とする請求項８に記載の測距装置。
前記第４の撮像素子領域では、前記第４の画素の出力信号と、前記第１の画素の出力信号と前記第４の画素の出力信号を用いて演算された信号を用い、前記第５の撮像素子領域では、前記第５の画素の出力信号と、前記第１の画素の出力信号と前記第５の画素の出力信号を用いて演算された信号を用いることを特徴とする請求項８または９に記載の測距装置。
請求項８から１０の何れか１項に記載の測距装置を有することを特徴とする撮像装置。
請求項１から７の何れか１項に記載の撮像素子と、被写体の像を前記撮像素子上に結像する光学系と、を有する測距装置における測距方法であって、
前記第１の撮像素子領域では、複数の前記第２の画素の出力信号と、注目する前記第２の画素の付近の前記第１の画素から得られた出力信号から該第２の画素の出力信号を差し引いた信号を用いて測距像信号を取得すると共に、前記第２の撮像素子領域では、複数の前記第３の画素の出力信号と、注目する前記第３の画素の付近の前記第１の画素から得られた出力信号から該第３の画素の出力信号を差し引いた信号を用いて測距像信号を取得して、測距演算を行うか、
或いは、前記第４の撮像素子領域では、複数の前記第４の画素の出力信号と、注目する前記第４の画素の付近の前記第１の画素から得られた出力信号から該第４の画素の出力信号を差し引いた信号を用いて測距像信号を取得すると共に、前記第５の撮像素子領域では、複数の前記第５の画素の出力信号と、注目する前記第５の画素の付近の前記第１の画素から得られた出力信号から該第５の画素の出力信号を差し引いた信号を用いて測距像信号を取得して、測距演算を行うことを特徴とする測距方法。